SAR图像海洋内波参数自动提取方法

海洋SAR图像由于纹理复杂,目前绝大多数的SAR图像海洋内波处理方式都是通过人工干预在SAR图像上选取一个或多个沿内波传播方向的截面,再依据截面数据的灰度分布求内波波长等参数,这种方法要求操作者有一定的专业知识,且随操作者选取截面的不同,反演得到的内波参数变化较大。依据海洋内波特点,采用二维连续小波变换对海洋SAR图像进行滑动窗扫描,自动找出含有海洋内波的图像区域,再通过椭圆域归一化Radon变换自动反演含有内波区域的内波波长、传播方向等参数。由SAR图像内波参数提取结果可知,提出的SAR图像内波参数自动提取方法,是一种全自动的SAR图像内波参数提取方法,能够较好地定位内波所在的图像区域,自动提取这些区域中的内波参数,且提取的内波传播方向可自动去除180°模糊,可解决海量SAR海洋数据内波参数自动提取的难题。     

基于EMD算法的海洋内波参数反演

利用合成孔径雷达(SAR)图像研究海洋内波具有其他遥感探测及实地海洋测量不可替代的优势,然而从SAR数据中提取内波参数的方法却往往由于人工选取的位置不同使得反演的内波参数产生不同的偏差,为了尽量避免人工操作带来的误差并有效反演内波参数,文中提出了一种SAR图像海洋内波波向与波长参数估计的新方法。通过人工选取内波前导线上的3个位置点,计算机自动地获取内波的位置和内波的波向,提取内波断面,在此基础上利用EMD算法反演内波波长,结合内波区域海水密度剖面数据,进一步反演内波振幅参数。通过对实测SAR图像数据进行处理的结果可知,采用该方法对内波SAR图像进行处理,能很好地定位内波位置并获得传播方向及内波波长参数,结合海水密度剖面,实现了内波振幅参数反演。人工干预选取3个位置点,自动计算内波前导线弯曲弧度并自动计算5个内波剖面,减少了由于人工干预操作不同形成的偏差。     

多波段海洋内波SAR图像特征分析

利用 SIR-C/X-SAR 南海海域多波段数据,分析了海洋内波 SAR 图像特征与雷达波段的关系.对上升型和下降型的海洋内波 SAR 图像,内波图像特征在 X 波段最为明显,C 波段次之,L 波段最弱.利用布拉格共振散射理论分析了内波图像特征在不同波段存在差异的原因.基于 M4S 海面微波成像仿真软件,模拟分析了不同波段的海洋内波 SAR 图像特征,模拟分析结果与数据分析结果吻合较好.     

一种基于小波变换的SAR海洋图像数据增强系统

提出了一种基于小波变换的SAR海洋图像数据增强系统,并进行了试验.本系统包括小波变换、Speckle及Pepper-Salt噪声抑制、船等目标提取、内波提取、目标数统计和图像图形显示放大等功能.该图像增强系统可以对含有常见的高斯噪声及Speckle和Pepper-Salt非高斯噪声的污染图像数据进行增强处理,可对SAR等微波成像传感器数据、光学成像传感器数据进行增强处理,具有广泛的应用前景     

基于合成孔径雷达影像的海洋溢油纹理特征参数分析

溢油已是当前海洋生态环境破坏的主要因素之一,因此对海洋溢油的检测分析是当前海洋环境保护的一个重要课题。传统的溢油提取仅仅是单独依靠光学影像的光谱信息或者合成孔径雷达(SAR)影像的后向散射系数信息进行提取,这会造成很多同谱异物或者粗糙度相近似的地物错分,因此除了利用传统的影像信息以外,还需结合影像的纹理信息,从而提高溢油提取的精度,减少错分地物的数量。选用2006年渤海地区的三景同轨SAR影像作为数据基础,应用基于灰度共生矩阵的方法对其进行纹理分析。该方法可以很好地对图像区域和表面进行感知并能够从像元的灰度相关性上对纹理特征进行详细描述,因此适合于SAR影像的海洋溢油检测。在纹理分析的过程中有很多的参数需要选择,参数选择的好坏将直接影响最终提取结果的精度。通过对纹理分析过程中的参数进行讨论、实验、选择与验证,最终确定了基于灰度共生矩阵纹理分析中各参数的值,并选择了局部平稳、非相似性、对比度、变化量4个特征量作为溢油提取的纹理特征统计量。将纹理特征与SAR自身的后向散射系数相结合,通过神经网络分类法对其进行分类,并计算出分类精度为80.65%,分类效果良好。由此说明了将影像的传统信息与纹理信息相结合进行溢油提取是一种可行而有效的方法,同时也为后续的海洋溢油检测工作奠定了一定的基础。     

基于SAR极化比和纹理特征的海面溢油识别方法

针对海洋表面SAR影像的特点，采用基于灰度共生矩阵的纹理特征方法是提取海面溢油信息的常用方法，但实际海洋表面复杂的信息使得SAR图像上产生类似溢油现象的暗斑区域，这导致在利用纹理特征方法提取溢油信息时存在虚警率，降低了溢油信息的提取精度。基于RADARSAT-2 SAR四极化影像，本文提出基于SAR极化比影像的纹理特征识别方法对海面油膜进行识别提取。结果显示，基于SAR极化比影像的纹理特征识别方法可以有效且准确地提取海面溢油信息，相比于VV极化影像的纹理特征识别方法，溢油监测过程中的虚警率降低了17.96%，溢油监测总体精度达到96.83%。     

SAR极化特征图像与σ0图像的海洋内波可视性对比

利用ALOS PALSAR全极化SAR内波图像,对比分析了SAR海洋内波在11种极化特征与后向散射系数(σ⁰) 图像中的可视性。在提取的SAR极化特征图像中,Lambda值的内波特征最为明显,极化熵和极化角次之。与σ⁰图像相比,Lambda值的内波可视性优于同极化的σ⁰图像;对于极化熵和极化角,沿距离向传播的内波可视性优于同极化的σ⁰图像,沿方位向传播的内波可视性略差于同极化的σ⁰图像,两者均优于交叉极化的σ⁰图像。HH/VV极化比、归一化圆极化系数和Bata值的内波特征较弱;HH/HV极化比、VV/VH极化比、Gamma值、Delta值和各向异性指数的内波图像均不清晰,无法识别内波。     

经验模态与小波分解在光学遥感内波参数提取中的应用

内波遥感参数提取是利用遥感影像研究海洋内波的重要手段,通过提取内波的基本参数可以对海洋内波的生成与传播机制进行进一步的研究。提出了利用经验模态分解、小波分解与高阶多项式拟合从光学影像中提取内波半波宽度的方法。经验模态分解与小波分解对内波剖面数据进行尺度分解,根据归一化方差最大来提取内波分量;多项式拟合基于内波剖面的亮暗条纹变化完全由内波调制的假设,对数据进行拟合,并根据一阶导数来提取半波宽度。用南海北部东沙岛附近2004年7月10日的中-巴资源卫星(China-Brazil Earth Resources Satellite,CBERS)影像对方法进行了验证。结果表明,3种方法能较好地提取所需参数,获取的内波半波宽度具有较好的一致性;上述方法在处理非平稳及非线性遥感数据上,具有非常明显的优势。基于一维非线性内波理论,通过提取的内波半波宽度,辅以水深和混合层深度数据,反演了内波的振幅。     

基于Korteweg-de Vries方程解析解的海洋内波模拟研究

主要是利用非线性发展方程丰富的解析解,基于含有散射项和微扰项的Korteweg-de Vries方程对台湾东北部东海海域内波的传播特性进行研究,并着重分析海洋内波在SAR图像上的信号特征,进而讨论耗散项和微扰项对海洋内波所引起的表层流速变化的影响.     

基于X波段海洋雷达的南海西北部内波参数特征研究

中国南海是内波频发海域,卫星遥感在内波参数特征的统计分析中得到了广泛应用,但是卫星轨道的重复访问时间长,不能连续观测内波参数的变化特征。X波段海洋雷达具有高时间和空间分辨率,可以长期连续观测内波的变化,本文提出了利用X波段海洋雷达图像提取内波参数的方法,并利用连续观测的数据研究了各参数的分布特征。首先,对雷达图像进行预处理,包括平均处理及斜坡校正两步;利用二维快速傅里叶变换确定内波的传播方向,进而根据该方向上的径向廓线确定内波的相速度大小、波长及周期。最后,利用在南海石油平台上观测的X波段雷达图像对内波各参数进行提取和统计分析,结果表明,研究区域内波的传播方向多为西北向及西向传播,相速度多为0.6~0.8 m/s,波长一般为400~600 m,周期大部分不超过1000 s。     

破碎波冲击直立桩柱的大比尺试验研究

波浪破碎是海洋中最常见的现象之一,其能够对海洋中的结构物产生巨大的波浪力作用。本文在大比尺波浪水槽通过聚焦波的方法生成了极端波浪和不同破碎阶段的破碎波浪,并对其冲击桩柱过程中的点压力进行了测量,进而采用连续小波变换的方法,对桩柱上点压力的分布及大小进行了细致分析。结果表明,多次重复试验下,相比非破碎极端波浪,破碎极端波浪产生的点压力离散性更强;波浪破碎程度越大,测点位置越靠近波峰,则点压力离散程度越大;破碎波的最大点压力出现在1.2倍的最大波面附近,且其大小可达3倍的最大静水压力;基于点压力小波谱,不同破碎阶段破碎波产生冲击作用不同,对于波浪作用桩柱前波浪已经发生破碎的情况,其冲击区域更大,点压力分布更复杂;而对于桩面破碎的情况,其造成的波浪总力更大。     

基于遥感影像边界特性对南海海洋内波检测算法研究 *

海洋内波在海洋活动中扮演重要角色。海洋内波研究对我国海洋科学的理论研究、海洋资源的保护、开发和利用以及海洋军事等方面均具有重要意义。为了及时发现海洋内波的发生地点以及对海洋内波参数进行定量分析, 本研究基于合成孔径雷达(synthetic aperture radar, SAR)影像中内波明暗条纹的边界特性, 提出了一种集成的海洋内波检测算法: 主要运用列分离邻域处理和Canny算子边缘检测算法对条纹进行检测, 并利用海洋内波的轮廓长度、面积比值及传播方向三个特征对条纹进行筛选, 并将该算法应用于南海发生的多起海洋内波, 以验证算法的鲁棒性和适用性。研究结果表明, 该算法能够较好地识别出海洋内波的明暗条纹, 不仅能够除去非内波条纹的轮廓, 而且能够去除一些细小且不明显的内波条纹轮廓。利用余弦函数逐像素地对识别后的条纹进行拟合, 然后根据拟合结果找出明暗条纹所在位置以及相邻明暗条纹之间的间距, 从而判定出内波发生的位置。     

一种基于Curvelet变换的合成孔径雷达海洋内波图像的斑点噪声抑制方法

合成孔径雷达是海洋内波研究中最重要的工具之一。雷达图像中的斑点噪声会严重降低图像的质量,这一问题在处理和分析信号较弱的二模态内波信号和上升型内波信号时极为明显。合成孔径雷达图像中的海洋内孤立波的信号具有明显的尺度性和方向性。同时,curvelet变换作为一种同时具备尺度分辨率和方向分辨率的数学变换,能够对一幅雷达图像在不同尺度、不同方向和不同位置上进行分析。本文给出了一个基于curvelet变换的合成孔径雷达海洋内孤立波图像的斑点噪声抑制方法。该方法可简述为：(1)对一幅合成孔径雷达海洋内孤立波图像进行curvelet变换,获得curvelet系数;(2)分别仅仅保留一个尺度的系数,将其它尺度的系数置为零,利用处理之后的系数分别重建图像,得到仅仅用一个尺度的系数重建的图像;(3)分别计算上一步中得到的图像的均方差,根据波浪理论,图像的方差代表能量,方差越大则能量越大,以此可以确定内波信息集中的尺度;(4)在每个尺度下,分别计算每个方向的curvelet系数矩阵的平均值,以此确定内孤立波信号集中的方向;(5)在上两步工作的基础上,仅仅保留内波信号集中的尺度和方向的系数,而将其它尺度和方向的系数置为0,得到一幅提取主波信息的图像;(6)将上一步得到的提取主波信息的图像加回到原始图像中,从而达到增强波浪信息并抑制斑点噪声的目的。大量的实验验证表明,该方法不仅能有效地压制斑点噪声,而且能有效地增强波浪信号。     

基于GA-WNN的极化SAR海洋溢油检测方法研究

海洋溢油对海洋生态和人类生活带来严重的影响。由于合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)具有全天时全天候的工作能力,在海洋溢油检测中发挥重要作用。目前,极化SAR是SAR探测技术的先进手段。本文利用6个极化特征进行溢油检测,通过对比分析这些特征对不同溢油的检测能力,得出单一极化特征在溢油检测中存在不足。通过J-M特征优选方法,提取出溢油检测识别度较高的特征影像,并利用遗传算法优化的小波神经网络(Genetic Algorithm-Wavelet Neural Network,GA-WNN)进行溢油检测。利用2套Radarsat-2全极化数据进行了方法验证,结果表明,该方法优于其他检测方法,溢油检测精度分别达到90.31%和95.42%。     

Synthetic aperture radar imaging of ocean waves during the marineland experiment

X- andL-band simultaneously obtained synthetic aperture radar (SAR) data of ocean gravity waves collected during the Marineland Experiment were analyzed using wave contrast measurements. The Marineland data collected in 1975 represents a unique historical data set for testing still-evolving theoretical models of the SAR ocean wave imaging process. The wave contrast measurements referred to are direct measurements of the backscatter variation between wave crests and troughs. These modulation depth measurements, which are indicators of wave detectability, were made as a function of: a) the settings used in processing the SAR signal histories to partially account for wave motion; b) wave propagation direction with respect to radar look direction for bothX- andL-band SAR data; c) SAR resolution; and d) number of coherent looks. The contrast measurements indicated that ocean waves imaged by a SAR are most discernible whenX-band frequency is used (as compared toL-band), and when the ocean waves are traveling in the range direction. Ocean waves can be detected by bothX- andL-band SAR, provided that the radar surface resolution is small compared to the ocean wavelength (at least 1/4 of the ocean wavelength is indicated by this work). Finally, wave detection withL-band SAR can be improved by adjusting the focal distance and rotation of the cylindrical telescope in the SAR optical processor to account for wave motion. The latter adjustments are found to be proportional to a value that is near the wave phase velocity.     

Oceanic pycnocline depth retrieval from SAR imagery in the existence of solitary internal waves

Oceanic pycnocline depth is usually inferred from in situ measurements. It is attempted to estimate the depth remotely. As solitary internal waves occur on oceanic pycnocline and propagate along it, it is possible to retrieve the depth indirectly in virtue of the solitary internal waves. A numerical model is presented for retrieving the pycnocline depth from synthetic aperture radar （SAR） images where the solitary internal waves are visible and when ocean waters are fully stratified. This numerical model is constructed by combining the solitary internal wave model and a two-layer ocean model. It is also assumed that the observed groups of solitary internal wave packets on the SAR imagery are generated by local semidiurnal tides. A case study in the East China Sea shows a good agreement with in situ CTD （conductivity-temperature-depth） data.     

Directional spectrum analysis and statistics obtained from ERS-1 SAR wave images

This work examines ERS-1 (the first European Remote Sensing Satellite) SAR (Synthetic Aperture Radar) water surface wave images over Hualien of Taiwan, indicating that the variation of SAR signals in space domain is similar to in situ wave data's in time domain. Some statistical properties of SAR data are investigated. The Rayleigh distribution function closely corresponds with the histogram of wave heights, but the Gaussian one cannot for water surface displacements. Evidence reveals that SAR wave signals do not respond well to actual ocean waves effectively. As wave spectral analysis of available SAR data reveals, the appropriate sample size of SAR wave image, sampling average, and moving average should be taken carefully to accurately confirm directional power spectra. Moreover, SAR spectra are compared with in situ ones, confirming that peak frequencies correlate well and wave directions approximately agree with each other. Some differences between both spectral shapes remain somewhat unclear and require further study. Nevertheless, in this study, ERS-1 SAR power spectra verified the feasibility of deriving an appropriate dominant wave direction and peak frequency.     

A study of SAR remote sensing of internal solitary waves in the north of the South China Sea:I.Simulation of internal tide transformation

For settlement of the well-known problem of contemporary radar imaging models,i.e.,the pmblem of a general underestimation of radar signatures of hydrodynamic features over oceanic internal waves and underwater bottom topography in tidal watels at at high radar frequency bands(X-band and C-band),the impact of the ocean surface mixed layer turbulence and the significance of strat-ified oceanic model on SAR remote sensing of internal solitary waves are proposed.In the north of the South China Sea by utilizing seme observed data of background field the nonlinearity coefficient,the dispersion coefficient,the horizontal variability coefficient and the phase speed in the generalized K-dV equation are determined approximately.Through simulations of internal tide transfor-mation the temporal evolution and spatial distribution of the vertical displacement and horizontal velocity of intereal wave field are obtained.The simulation results indicate that the maximum amplitudes of internal solitary waves occur at depth 35 m,but the maximum current speeds take place at depth 20 m in this area of the sea(about 20°30'N,114°E)in August.It was noticed that considering the effects of flood current and ebb current respectively is appropriate to investigate influence of the background shear flow on coefficients of the K-dV equation.The obtained results provide the possibility for the simulation of SAR signatures of inter-nal solitary waves under considering the impact of ocean surface mixed layer turbulence in the companion paper.     

Analysis of freak wave measurements in the Sea of Japan

This paper presents an analysis of a set of available freak wave measurements gathered from several periods of continuous wave recordings made in the Sea of Japan during 1986–1990 by the Ship Research Institute of Japan. The analysis provides an ideal opportunity to catch a glimpse of the statistics of freak waves in the ocean. The results show that a well-defined freak wave may occur in the developed wind–wave condition: S(f)∝f⁻⁴, with single-peak directional spectra. The crest and trough amplitude distributions of the observed sea waves including freak waves are different from the Rayleigh distribution, although the wave height distribution tends to agree with the Rayleigh distribution. Freak waves can be readily identified from the wavelet spectrum where a strong energy density occurs in the spectrum, and is instantly surged and seemingly carried over to the high-frequency components at the instant the freak wave occurs.